CN103088071A

CN103088071A - 一种可产生生物气的生物质能源块的制备方法

Info

Publication number: CN103088071A
Application number: CN2013100298548A
Authority: CN
Inventors: 马兴元; 胡雪丽; 张淑芳
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明提供了一种可产生生物气的生物质能源块的制备方法，首先将植物秸秆段、粪便、纤维素酶、氨化剂、厌氧污泥、pH稳定剂混合，制成混料；然后用水调节混料的含水量，再将混料压制成块状混料，采用塑料薄膜真空包装块状混料，使块状混料密封在塑料薄膜内部，在15-30℃下进行氨化发酵处理；然后在塑料薄膜上打孔，使经过氨化发酵处理的块状混料中的水分蒸发，即得到生物质能源块。本发明成本低廉，制得的生物质能源块使用方便，产气效率高。

Description

一种可产生生物气的生物质能源块的制备方法

技术领域

本发明属于生物质能源技术领域，具体涉及一种可产生生物气的生物质能源块的制备方法。

背景技术

据统计，目前我国每年秸秆产量大约有7亿吨，剩余秸秆的数量约为4亿吨左右。剩余秸秆的随地堆弃和任意焚烧，造成了大气污染、火灾事故、堵塞交通等大量的社会、经济和生态问题，迫切需要寻找新的利用途径。与此同时，秸秆作为一种可再生能源，蕴含着巨大的生物质能量。利用厌氧发酵技术可以将农作物秸秆转化为秸秆生物气，俗称“秸秆沼气”。秸秆生物气以甲烷为主，可以直接燃烧利用，也可以用来发电，发酵后产生的残渣是一种有机生态肥。

农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成。秸秆厌氧发酵效率低下的主要因素有以下两点：其一，半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，木质素具有网状结构，并作为支撑骨架包围并加固纤维素和半纤维素，而木质素是一种难以厌氧降解的芳香族高分子化合物，所以，秸秆厌氧发酵的效率很低；其二，由于木质素及其衍生物对厌氧微生物具有抑制作用，秸秆木质素含量高达15%，所以，秸秆厌氧发酵会受到比较严重的抑制，导致厌氧发酵效率低下。

以农作物秸秆为原料，通过厌氧发酵产生秸秆生物气时，一般原料先经过物理或化学方法预处理，再经厌氧发酵两个步骤完成。秸秆中含有大量的纤维素、木质素、半纤维素。这些物质之间相互混杂和交联，使得纤维素和其它可消化物质难以被微生物降解；为了促进有机物的分解，为微生物生长创造适宜的环境，增大微生物与发酵底物的接触面积，目前主要的预处理方法有物理法、化学法、生物法。

Luo等的研究表明，利用氢氧化钠预处理秸秆纤维素和半纤维素，秸秆生物气产率提高75%。生物方法主要是利用白腐菌进行预处理，研究表明，白腐菌是降解木质素类化合物能力最强的微生物。经白腐菌预处理后的秸秆其发酵的时间可大大缩短，很好的提高甲烷的转化率，有效的接近秸秆的理论产气率。杨玉楠等通过利用白腐菌预处理秸秆发酵产甲烷的研究表明：经白腐菌预处理后，木质素含量降低，甲烷转化率为47.63％，当继续发酵时甲烷转化率高达58.74％，从而大大缩短了厌氧发酵周期，提高了甲烷转化效率。

由于厌氧发酵过程存在产气不均并且在有的发酵反应过程中存在发酵短路的情况，目前对于厌氧发酵反应器和工艺的研究主要是集中于提高其产气效率，解决发酵过程中产气不均衡的的问题。叶森等在1989年通过研究自动排料干式厌氧发酵反应器利用产气高峰的规律提高了产气量和解决发酵产气均衡的问题。赵哈乐等人在1990年研究了半连续自动排料干式厌氧发酵反应器，该装置可将发酵旧料依靠反应器内沼气压力自动排出，变干式厌氧发酵批量投料为半连续工艺，使日产气量均匀，提高了发酵利用率。魏吉山在利用干式厌氧发酵反应器内沼气压力的基础上发明了自动进料干式厌氧发酵装置实现了干式厌氧发酵自动连续排料或在进料同时将发酵原料排出罐外实现进料和排料同步完成，同时干物质浓度提高到20～25%。90年代，德国开发了新式间歇式厌氧消化工艺，这种新型间歇式发酵解决了发酵初期与发酵结束发酵室内沼气和空气浓度的调节和发酵菌在发酵物中繁殖速度的问题并通过了中式，随后投入实际运行。连续发酵工艺是沼气池发酵启动后，根据设计时预定的处理量，连续不断地或每天定量地加入新的发酵原料，同时排走相同数量的发酵料液，使发酵过程连续进行下去。连续发酵是目前较为先进的工艺，其中以欧洲几种工艺为代表。比利时的有机垃圾处理公司开发的Dranco工艺采用单机高温反应器，每吨有机生物气产量100～200m3。Kompogas工艺是干式、高温厌氧消化技术,由瑞士Kompogas AG公司开发，其生物气效益:10000t。半连续发酵工艺是初始投料发酵是指一次性投入较多的原料经过一段时间，开始正常发酵产气，随后产气逐渐下降，此时就需要每天或定期加入新物料，以维持正常发酵产气，这种工艺就称为半连续沼气发酵。

目前秸秆厌氧发酵制秸秆生物气的技术难以推广的主要原因是现有的厌氧发酵技术效率较低，综合开发成本较高，研发高效的厌氧发酵技术和低成本的运行系统是此研究领域必须攻克的难题。

发明内容

本发明提供了一种厌氧发酵效率高、成本低廉的可产生生物气的生物质能源块的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1）按质量份数，将50～70份的植物秸秆段、5～15份的粪便、0.02～0.2份的纤维素酶、2～5份的氨化剂、1～4份的厌氧污泥、2～5份的pH稳定剂混合，制成混料；

2）用水调节混料的含水量，然后将混料压制成块状混料，采用塑料薄膜真空包装块状混料，使块状混料密封在塑料薄膜内部，再在15-35℃下进行氨化发酵处理；

3）在塑料薄膜上打孔，使经过氨化发酵处理的块状混料中的水分蒸发，即得到生物质能源块。

所述的步骤1）中植物秸秆段是采用小麦秸秆、玉米秸秆、稻草中的一种或多种任意比例的混合物切成的。

所述的步骤1）中植物秸秆段的长度为3～8cm。

所述的步骤1）中的粪便是人粪尿、牛粪、猪粪中的一种或多种任意比例的混合物。

所述的步骤1）中的氨化剂是尿素、硫酸铵、碳酸铵中的一种或多种任意比例的混合物。

所述的步骤1）中的厌氧污泥是啤酒废水厌氧处理污泥、制革废水厌氧处理污泥、造纸废水厌氧处理污泥中的一种或多种任意比例的混合物。

所述的步骤1）中的pH稳定剂是碳酸钙、高岭土、氧化镁中的一种或多种任意比例的混合物。

所述的步骤2）用水调节混料的含水量时，混料的含水量控制在35～55%，氨化发酵处理的时间是10～20天。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明将植物秸秆段、粪便、纤维素酶、氨化剂、厌氧污泥以及pH稳定剂进行合理配伍，同时制备块状混料的原料是以植物秸秆段为主要组分，这样就可以使块状混料在厌氧发酵时达到合理的碳氮比，从而提高厌氧发酵的效率。另外，采用塑料薄膜真空包装块状混料，使块状混料在密闭的真空环境中进行氨化，氨化破坏植物秸秆段的结构，去除部分木质素，使厌氧发酵的效率大大提高。

2、由于纤维素酶由内切葡聚糖酶(C1酶)、外切葡聚糖酶(Cx酶)以及β-葡萄糖苷酶（简称βG，又称纤维二糖水解酶）组成。内切葡聚糖酶(C1酶)随机的切割纤维素多糖链内部的无定型区，产生不同长度的寡糖和新链的末端；外切葡聚糖酶（Cx酶）作用于这些还原性和非还原性的纤维素多糖链的末端，释放葡萄糖或纤维二糖；β-葡萄糖苷酶进一步水解纤维二糖产生两分子的葡萄糖。因此含有这种纤维素酶的混料经过氨化发酵处理，可以极大的提高植物秸秆的厌氧发酵效率。

3、通过在塑料薄膜上打孔，使经过氨化发酵处理的块状混料中的水分蒸发，能够抑制氨化处理，使得到的可产生生物气的生物质能源块处于一个相对稳定的状态。

4、本发明生产方法简单，且以植物秸秆段为主要原料，所制成生物质能源块产生的生物气是一种生物质能源；这种生物质能源可以用来燃烧或发电，且发酵残渣可以作为生物肥料；而本发明制得的生物质能源块体积小，所以储存方便。另外，在使用本发明制得的生物质能源块的时候，只要将其放入厌氧生物反应器中，然后加入水进行厌氧发酵，即可连续的产生以甲烷和二氧化碳为主的生物气；因此本发明成本低廉，制得的生物质能源块使用方便且能够实现高效的厌氧发酵产气。

具体实施方式

实施例1：

1）按质量份数，将50份3～8cm长的玉米秸秆段、10份的猪粪、0.02份的纤维素酶、3份的尿素、1份的造纸废水厌氧处理污泥、4份的碳酸钙混合，制成混料；

2）用水调节混料的含水量至46%，然后将混料压制成块状混料，采用塑料薄膜真空包装块状混料，使块状混料密封在塑料薄膜内部，再在15℃下进行氨化发酵处理20天；

实施例2：

1）按质量份数，将65份3～8cm长的小麦秸秆段、5份的人粪尿、0.15份的纤维素酶、5份的碳酸铵、3份的制革废水厌氧处理污泥、2份的高岭土混合，制成混料；

2）用水调节混料的含水量至35%，然后将混料压制成块状混料，采用塑料薄膜真空包装块状混料，使块状混料密封在塑料薄膜内部，再在35℃下进行氨化发酵处理10天；

实施例3：

1）按质量份数，将57份3～8cm长的稻草秆段、12份的牛粪、0.08份的纤维素酶、2份的硫酸铵和尿素混合物、4份的啤酒废水厌氧处理污泥、5份的氧化镁混合，制成混料；

2）用水调节混料的含水量至50%，然后将混料压制成块状混料，采用塑料薄膜真空包装块状混料，使块状混料密封在塑料薄膜内部，再在30℃下进行氨化发酵处理12天；

实施例4：

1）按质量份数，将70份3～8cm长的由稻草和小麦秸秆混合物切成的植物秸秆段、15份的人粪尿、0.2份的纤维素酶、4份的硫酸铵、2份的啤酒废水厌氧处理污泥、3份的碳酸钙混合，制成混料；

2）用水调节混料的含水量至55%，然后将混料压制成块状混料，采用塑料薄膜真空包装块状混料，使块状混料密封在塑料薄膜内部，再在20℃下进行氨化发酵处理17天；

实施例5：

1）按质量份数，将65份3～8cm长的小麦秸秆段、5份的牛粪和猪粪混合物、0.15份的纤维素酶、5份的碳酸铵、3份的制革废水厌氧处理污泥和啤酒废水厌氧处理污泥混合物、2份的高岭土混合，制成混料；

实施例6：

1）按质量份数，将70份3～8cm长的由稻草和小麦秸秆混合物切成的植物秸秆段、15份的人粪尿、0.2份的纤维素酶、4份的硫酸铵、2份的啤酒废水厌氧处理污泥、3份的碳酸钙和高岭土混合物混合，制成混料；

本发明的纤维素酶购买自沂源康源生物科技有限公司，由于纤维素酶由内切葡聚糖酶(C1酶)、外切葡聚糖酶(Cx酶)以及β-葡萄糖苷酶（简称βG，又称纤维二糖水解酶）组成。内切葡聚糖酶(C1酶)随机的切割纤维素多糖链内部的无定型区，产生不同长度的寡糖和新链的末端；外切葡聚糖酶（Cx酶）作用于这些还原性和非还原性的纤维素多糖链的末端，释放葡萄糖或纤维二糖；β-葡萄糖苷酶进一步水解纤维二糖产生两分子的葡萄糖。因此含有这种纤维素酶的混料经过氨化发酵处理，可以极大的提高植物秸秆的厌氧发酵效率。

本发明将植物秸秆、粪便、纤维素酶、氨化剂、厌氧污泥以及pH稳定剂合理的配伍成混料，并用水调节混料的含水量；而且该混料是以植物秸秆为主要组分的，这样就可以使块状混料在厌氧发酵时达到合理的碳氮比，从而提高厌氧发酵的效率。另外，采用塑料薄膜真空包装块状混料，使块状混料在密闭的真空环境中进行氨化，从而破坏植物秸秆的结构，去除木质素，使厌氧发酵的效率大大提高；而且，本发明氨化发酵处理的温度在15～35℃，如果温度低于氨化发酵温度，则必须采用保温措施使氨化发酵处理的温度在15℃以上。本发明通过在塑料薄膜上打孔，使经过氨化发酵处理的块状混料中的水分蒸发，抑制氨化处理，使得到的可产生生物气的生物质能源块处于一个相对稳定的状态。

本发明生产方法简单，且以植物秸秆废弃物为主要原料，所制成生物质能源块产生的生物气是一种生物质能源；这种生物质能源可以用来燃烧或发电，且发酵残渣经过适当的杀菌处理后可以作为生物肥料使用。而本发明制得的生物质能源块体积小，所以储存方便。

另外，本发明制成的生物质能源块在使用时，将生物质能源块放入厌氧生物反应器中，以生物质能源块的重量份数100份进行计算，加入250～800份的水，2～3天以后即可连续的产生以甲烷和二氧化碳为主的生物气，产气时间可持续10～25天。选用的厌氧生物反应器可以使任何形式的厌氧生物反应器，如常温厌氧发酵、中温厌氧发酵或高温厌氧发酵。因此本发明成本低廉，制得的生物质能源块使用方便且能够实现高效的厌氧发酵产气。

Claims

1.一种可产生生物气的生物质能源块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的可产生生物气的生物质能源块的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中植物秸秆段是采用小麦秸秆、玉米秸秆、稻草中的一种或多种任意比例的混合物切成的。

3.根据权利要求1或2所述的可产生生物气的生物质能源块的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中植物秸秆段的长度为3～8cm。

4.根据权利要求1所述的可产生生物气的生物质能源块的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中的粪便是人粪尿、牛粪、猪粪中的一种或多种任意比例的混合物。

5.根据权利要求1所述的可产生生物气的生物质能源块的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中的氨化剂是尿素、硫酸铵、碳酸铵中的一种或多种任意比例的混合物。

6.根据权利要求1所述的可产生生物气的生物质能源块的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中的厌氧污泥是啤酒废水厌氧处理污泥、制革废水厌氧处理污泥、造纸废水厌氧处理污泥中的一种或多种任意比例的混合物。

7.根据权利要求1所述的可产生生物气的生物质能源块的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中的pH稳定剂是碳酸钙、高岭土、氧化镁中的一种或多种任意比例的混合物。

8.根据权利要求1所述的可产生生物气的生物质能源块的制备方法，其特征在于：所述的步骤2）用水调节混料的含水量时，混料的含水量控制在35～55%，氨化发酵处理的时间是10～20天。